高速铁路动车组用受电弓滑板复合材料及其制备方法
【专利说明】
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技术领域： 本发明涉及一种复合材料的制备方法，特别是涉及一种高速铁路动车组用受电弓滑板 复合材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。
[0002]
【背景技术】： 随着我国电气化铁路的快速发展，将会有越来越多的高速列车在铁路网上飞驰。高质 量的受电弓滑板可为机车提供平稳、安全的电力供应，是确保机车高效运行的关键。受电弓 滑板自出现以来，其发展经历了金属滑板、粉末冶金滑板、碳滑板、浸金属碳滑板等阶段。金 属滑板和粉末冶金滑板的力学强度高、导电性能好，但其对接触网导线的磨损严重、抗电弧 能力弱；碳滑板的自润滑性和减磨性能好，但是碳滑板的力学强度低、耐冲击性差，遇导线 硬点容易造成滑板断裂或者掉块；浸金属碳滑板结合了金属滑板和碳滑板的优点：具有粉 末冶金滑板力学强度高、电阻小的特点，同时具有碳滑板对导线磨耗小、抗电弧能力强的特 点。但是浸金属碳滑板仍然保留了粉末冶金滑板和碳滑板的缺点：例如碳滑板的抗冲击能 力低、力学强度相对较低，运行中容易出现断裂和掉块；粉末冶金滑板对导线的磨耗大、运 行中易与导线发生粘连。
[0003] 为克服浸金属碳滑板的缺点，提高滑板材料的性能，降低成本，本领域的研宄人员 加大了对纤维增强复合材料滑板的研宄，例如碳纤维复合材料、碳-金属纤维复合材料和 碳-铜复合材料。发明专利（【申请号】97106646.9)"电力机车用碳-碳复合材料受电弓滑 板"公开了一种采用以镀铜粉末为基体材料，以短碳纤维作为增强剂，用热固性树脂作为 粘结剂，采用湿态或者干态混合成型的制备受电工滑板的方法。采用该方法，（1)需要对 碳粉末(石墨粉或焦碳粉）进行镀铜处理，增加了设备投资，且碳粉末表面镀铜也不均匀，不 利于提高滑板材料的电传导性能；（2)该制备方法最高只在180°C对坯料进行处理，处理 温度低，不能充分发挥碳材料滑板的耐磨和良好的机械性能；（3)该方法生产周期长，成本 较高，批量化生产能力较差。发明专利（【申请号】201310111822. 2)"一种受电弓滑板用复 合材料及其制备方法"公布了一种受电弓滑板用复合材料的制备方法。该制备方法包括 以下步骤：连续碳纤维与铜丝构成混合增强体一混合编制体去油活化一在编制体表面沉积 热解碳一对沉积后的编制体反复浸渍-碳化一得到复合材料受电弓滑板。该方法中，（1) 需要采用连续碳纤维和铜丝制备增强体，成本高；（2)需要反复进行树脂浸渍-碳化工艺， 周期长；（3)铜丝在高温下有可能会融化，不能充分发挥其导电性能。发明专利（【申请号】 201310308748. 3)"一种用于高速列车受电弓滑板碳/碳-石墨复合材料的制备方法"公布 了一种复合材料滑板制备方法。该方法的具体步骤如下：制备石墨悬浊液一向碳毡中浸渍 石墨悬浊液制备石墨预制体一对石墨预制体反复浸渍碳化一得到碳/碳-石墨复合材料。 该方法中，（1)悬浊液中的石墨颗粒或石墨粉不易浸渗入碳毡中，且浸渗入的石墨也存在梯 度分布，造成其分布的不均匀；（2)反复尽心沥青浸渍碳化，需要特殊的压力浸渍设备，周 期较长、环境污染较大。
[0004]
【发明内容】
： 本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术制备中碳-碳复合材料受电弓滑板的导 电性差、周期长、成本高等不足，提供一种短周期、低成本的高速铁路动车组用受电弓滑板 复合材料及其制备方法。
[0005] 本发明为解决技术问题所采取的技术方案是： 一种高速铁路动车组用受电弓滑板复合材料，含有以重量百分比为单位的下列各原 料： 短切碳纤维30~60%，纤维长度2~5mm、直径7~IOMm; 酚醛树脂粉20~30%，200~400目； 沥青焦粉10~20%，300~500目； 鳞片石墨粉10~20%，300~500目； 铜粉1~10%，800~1000目。
[0006] 上面所述高速铁路动车组用受电弓滑板复合材料的制备方法，其具体步骤如下： (a) 按如下比例称量原料：短切碳纤维30~60%、酚醛树脂粉20~30%、沥青焦粉10~ 20%、鳞片石墨粉10~20%、铜粉1~10%; (b) 将步骤（a)所称量的原料用行星式球磨机以200~500转/min的转速混合2~ 5h，确保原料混合均匀； (c) 将步骤（b)制备的混合物倒入按照受电弓滑板结构、尺寸制作的模压机模具中压制 成型； (d) 模压机压制时的具体工艺参数如下：温度：120~200°C;压力：1~5MPa;保压时 间：2~5h; (e) 将步骤（d)制备的受电弓滑板坯体放入马弗炉中进行预氧化处理；预氧化时，以 1~3°C/min的升温速率升温至300~500°C，保温6~IOh;随后断电降温； (f) 将步骤（e)预氧化处理后的受电弓滑板坯体放入碳化炉中进行碳化；碳化时，以 30~60°C/h的升温速率升至900~1100 °C后保温2~5h，然后以20~50°C/h的降温速 率降至室温； (g) 将步骤（f)制备出的碳-碳复合材料受电弓滑板坯体放入等温化学气相沉积炉 中进行致密化处理；致密化时，在氩气保护气氛下以3~5°C/min的升温速率从室温升至 1000~1200°C后保温1~3h，然后关闭氩气，通入2~5L/min甲烷气体，沉积50~IOOh 后关闭甲烷气体，在氩气保护气氛下以3~5°C/min的降温速率降温至室温； (h) 将步骤（g)制备出的碳-碳复合材料受电弓滑板放入高温石墨化处理炉中进行石 墨化处理，处理温度为2300~2600°C，升温速率为2~5°C/min，保温时间为2~5h，然后 以1~:TC/min的降温速率降温至室温，即得到所述的高速铁路动车组用受电弓滑板复合 材料； (i) )将步骤（h)制备出的高速铁路动车组用受电弓滑板复合材料进行加工即可得到最 终的碳-碳复合材料受电弓滑板。
[0007] 采用本发明提供的技术方案所制备的高速铁路列车碳-碳复合材料受电弓滑板， 不仅周期短、成本低，而且性能指标优异，具体详见下表：
【具体实施方式】： 一种高速铁路动车组用受电弓滑板复合材料，含有以重量百分比为单位的下列各原 料： 短切碳纤维30~60%，纤维长度2~5mm、直径7~IOMm; 酚醛树脂粉20~30%，200~400目； 沥青焦粉10~20%，300~500目； 鳞片石墨粉10~20%，300~500目； 铜粉1~10%，800~1000目。
[0008] 上面所述高速铁路动车组用受电弓滑板复合材料的制备方法，其具体步骤如下： (a) 按如下比例称量原料：短切碳纤维30~60%、酚醛树脂粉20~30%、沥青焦粉10~ 20%、鳞片石墨粉10~20%、铜粉1~10% ; (b) 将步骤（a)所称量的原料用行星式球磨机以200~500转/min的转速混合2~ 5h，确保原料混合均匀； (c) 将步骤（b)制备的混合物倒入按照受电弓滑板结构、尺寸制作的模压机模具中压制 成型； (d) 模压机压制时的具体工艺参数如下：温度：120~200°C;压力：1~5MPa;保压时 间：2~5h; (e) 将步骤（d)制备的受电弓滑板坯体放入马弗炉中进行预氧化处理；预氧化时，以 1~3°C/min的升温速率升温至300~500°C，保温6~IOh;随后断电降温； (f) 将步骤（e)预氧化处理后的受电弓滑板坯体放入碳化炉中进行碳化；碳化时，以 30~60°C/h的升温速率升至900~1100 °C后保温2~5h，然后以20~50°C/h的降温速 率降至室温； (g) 将步骤（f)制备出的碳-碳复合材料受电弓滑板坯体放入等温化学气相沉积炉 中进行致密化处理；致密化时，在氩气保护气氛下以3~5°C/min的升温速率从室温升至 1000~1200°C后保温1~3h，然后关闭氩气，通入2~5L/min甲烷气体，沉积50~IOOh 后关闭甲烷气体，在氩气保护气氛下以3~5°C/min的降温速率降温至室温； (h) 将步骤（g)制备出的碳-碳复合材料受电弓滑板放入高温石墨化处理炉中进行石 墨化处理，处理温度为2300~2600°C，升温速率为2~5°C/min，保温时间为2~5h，然后 以1~:TC/min的降温速率降温至室温，即得到所述的高速铁路动车组用受电弓滑板复合 材料； (i) )将步骤（h)制备出的高速铁路动车组用受电弓滑板复合材料进行加工即可得到最 终的碳-碳复合材料受电弓滑板。
[0009] 将通过下面具体实施例对本发明作进一步的描述和说明： 实施例1: 一种高速铁路动车组用受电弓滑板复合材料的制备方法，具体步骤如下： (a) 按如下比例称量原料：30 %的短切碳纤维(纤维长度2~5mm，直径7~l〇Mm)，30% 的酚醛树脂粉（200~400目），20%的沥青焦粉（300~500目），10%的鳞片石墨粉（300~ 500目），10%的铜粉（800~1000目）； (b) 将步骤（a)称量的原料用行星式球磨机以200转/min的转速混合2h，确保原料混 合均匀； (c) 将步骤（b)制备的混合物倒入按照受电弓滑板结构、尺寸制作的模压机机模具中压 制成型； (d) 模压机压制时的具体工艺参数如下：温度：120°C;压力：lMPa;保压时间：2h; (e) 将步骤（d)制备出的受电弓滑板坯体放入马弗炉中进行预氧化处理；预氧化时，以 1°C/min的升温速率升温至300°C，保温6h，随后断电降温； (f) 将步骤（e)预氧化处理后的受电弓滑板坯体放入碳化炉中进行碳化；碳化时，以 30°C/h的升温速率升至900°C后保温2h，以20°C/h的降温速率降至室温； (g) 将步骤（f)制备出的碳-碳复合材料受电弓滑板坯体放入等温化学气相沉积炉中 进行致密化处理；致密化时，在氩气保护气氛下以3°C/min的升温速率从室温升至1000°C 后保温lh，然后关闭氩气，通入2L/min甲烷气体，沉积50h后关闭甲烷气体，在氩气保护气 氛下以3°C/min的降温速率降温至室温； (h) 将步骤（g)制备出的碳-碳复合材料受电弓滑板放入高温石墨化处理炉中进行石 墨化处理，处理温度为2300 °C，升温速率为2°C/min，保温时间为2h，然后以1°C/min的降 温速率降温至室温，即得到高速铁路动车组用受电弓滑板复合材料； (i) )将步骤（h)制备出的高速铁路动车组用受电弓滑板复合材料进行加工即可得到最 终的碳-碳复合材料受电弓滑板。
[0010] 对实施例1所制备出的碳-碳复合材料受电弓滑板的性能进行测试，结果如下： 密度1.73g/cm3;电阻率18. 5l^*m，冲击韧性0. 52J/cm2;压缩强度124MPa;弯曲强度 82. 5MPa;滑板质量磨耗比I. 18X10_2g/km;对接触线磨耗比I. 43X10_6mm2/次。